離心式水泵葉輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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1前言勞動(dòng)人民在與自然界的斗爭(zhēng)中創(chuàng)造了最原始的提水工具，如水車、轆轤等，這些就是水泵的雛形。隨著生產(chǎn)的發(fā)展和對(duì)自然規(guī)律的認(rèn)識(shí)和掌握，這些原始的提水工具就發(fā)展成為現(xiàn)代的泵?，F(xiàn)在，水泵作為一種通用機(jī)械，在國民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域中都得到了廣泛的應(yīng)用。農(nóng)業(yè)的灌溉和排澇，城市的給水和排水都需要泵。在工業(yè)的各個(gè)部門中，泵更是不可缺少的設(shè)備。如在動(dòng)力工業(yè)中需要鍋爐給水泵、強(qiáng)制循環(huán)泵、循環(huán)水泵、冷凝泵、灰渣泵、疏水泵、燃油泵；在采礦工業(yè)中需要礦山排水泵、水砂沖填泵、水采泵、煤水泵；在石油工業(yè)中需要泥漿泵、注水泵、深井采油泵、輸油泵、石油煉制用泵等；在化學(xué)工業(yè)中需要耐腐蝕泵、比例泵、計(jì)量泵等；在交通運(yùn)輸工業(yè)中需要燃油泵、噴油泵、潤(rùn)滑油泵、液壓泵等。由此可見泵在工業(yè)中起到舉足輕重的作用。以前，泵只用來輸送常溫清水，所以常把泵稱為水泵。但是，現(xiàn)在這個(gè)概念已經(jīng)不十分確切了。據(jù)國家有關(guān)部門統(tǒng)計(jì)，離心泵每年的耗電量占總發(fā)電量的10％ 。葉輪機(jī)械主要的能量轉(zhuǎn)換是在葉輪中完成的，因此設(shè)計(jì)高效率的葉輪對(duì)離心泵的節(jié)能降耗有重要意義。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值計(jì)算方法的飛速發(fā)展，CFD(計(jì)算流體力學(xué))對(duì)離心泵流場(chǎng)分析結(jié)果的可信度逐增強(qiáng)，其分析結(jié)果運(yùn)用于工程實(shí)踐是可靠的。本文在總結(jié)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理論的優(yōu)缺點(diǎn)后，引出現(xiàn)代運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值計(jì)算理論的離心式水泵的葉輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，即速度系數(shù)設(shè)計(jì)法。在目前世界能源日趨緊張的形勢(shì)下，降低泵的能量損失，提高它的效率是一個(gè)更加有意義的事情。葉輪是離心泵最重要的部件，在某種意義上來說離心泵的優(yōu)化問題就是對(duì)葉輪的優(yōu)化。所以把對(duì)離心泵葉輪的優(yōu)化作為本文研究?jī)?nèi)容。本文主要對(duì)離心式水泵的葉輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，首先弄清離心泵工作性能的主要參數(shù)，需要設(shè)計(jì)葉輪結(jié)構(gòu)的各部分尺寸，在葉輪設(shè)計(jì)過程中對(duì)泵的性能影響較大的參數(shù)主要有：葉輪進(jìn)、出口直徑 和 ，葉片的進(jìn)、出口寬度 、 ，葉片的進(jìn)、出口安裝角 、0D2 1b2 1?等 6 個(gè)參數(shù)。所以合理設(shè)計(jì)這些參數(shù)非常重要。同時(shí)在設(shè)計(jì)過程中對(duì)葉輪的強(qiáng)度進(jìn)行2?計(jì)算，在工作過程中，離心泵零件承受各種外力的作用，使零件產(chǎn)生變形和破壞，而零件依靠自身的尺寸和材料性能來反抗變形。一般，把零件抵抗變形的能力叫做剛度，把零件抵抗破壞的能力叫強(qiáng)度。所以，在設(shè)計(jì)離心泵葉輪時(shí)，應(yīng)使零件具有足夠的強(qiáng)度和剛度，以提高泵運(yùn)行的可靠性和壽命。葉輪的強(qiáng)度計(jì)算主要分為葉輪蓋板強(qiáng)度、葉片強(qiáng)離心式水泵葉輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2度和輪轂強(qiáng)度三部分。葉輪的繪型和葉輪的技術(shù)要求也是相當(dāng)重要的，這是保證葉輪正確葉片形狀的必要前提。最后，通過建立數(shù)字模型對(duì)葉輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。31 離心泵葉輪結(jié)構(gòu)葉輪機(jī)械主要的能量轉(zhuǎn)換是在葉輪中完成的，因此設(shè)計(jì)高效率的葉輪對(duì)離心泵的節(jié)能降耗有重要意義。葉輪是離心泵的最重要的零部件，在某種意義上來說離心泵的優(yōu)化問題就是對(duì)葉輪的優(yōu)化。所以設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)合理的離心泵葉輪結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。1.1 葉輪葉輪是離心泵最主要的零部件，葉輪是將來自原動(dòng)機(jī)的能量傳遞給液體的零件，液體流經(jīng)葉輪后能量增加。葉輪一般由前蓋板、后蓋板、葉片和輪轂組成。圖 1-1 a 所示的這種葉輪叫閉式葉輪；如果葉輪沒有前蓋板，就叫半開式葉輪，如圖 1-1 b 所示。沒有前蓋板、也沒有后蓋板的葉輪叫開式葉輪，開式葉輪在一般情況下很少采用。后 蓋 板 輪 轂后 蓋 板葉 片葉 片 輪 轂前 蓋 板a ) b )圖 1-1 離心泵的葉輪a） 閉式葉輪 b） 半開式葉輪Fig.1-1 Leave leaf's round of heart pumpa) Shut type leaf round b) The half open type leaf's round1.2 離心泵的主要性能參數(shù)離心泵上都有標(biāo)牌，標(biāo)牌上標(biāo)明了泵的型號(hào)、主要參數(shù)和指標(biāo)。表示泵工作性能的參數(shù)叫泵的性能參數(shù)，如流量 Q、揚(yáng)程 H、轉(zhuǎn)速 n、功率 N、效率 、汽蝕余量 （或吸?h?上真空度 ）等。sH離心式水泵葉輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)41.2.1 葉輪的主要設(shè)計(jì)參數(shù)在葉輪設(shè)計(jì)過程中對(duì)泵的性能影響較大的參數(shù)主要有：葉輪進(jìn)、出口直徑 和 ，0D2葉片的進(jìn)、出口寬度 、 ，葉片的進(jìn)、出口安裝角 、 等 6 個(gè)參數(shù)。所以合理設(shè)計(jì)1b2 1?2這些參數(shù)非常重要。1.2.2 液體在離心泵葉輪里的流動(dòng)離心泵工作時(shí)，液體一方面隨著葉輪一起旋轉(zhuǎn)，同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)著的葉輪里向外流。液體隨著葉輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)稱為圓周運(yùn)動(dòng)，其速度稱為圓周速度，用 表示。液體從旋轉(zhuǎn)著的葉u輪里向外的流動(dòng)稱為相對(duì)運(yùn)動(dòng)，其速度稱為相對(duì)速度，用 表示。液體相對(duì)于泵體的運(yùn)?動(dòng)稱為絕對(duì)運(yùn)動(dòng)，其速度稱為絕對(duì)速度，用 表示。絕對(duì)速度 的向量等于圓周速度 和??u相對(duì)速度 的向量和，即?（2-1）u????52 離心泵葉輪的設(shè)計(jì)計(jì)算根據(jù)前面的介紹及結(jié)合實(shí)際情況離心式水泵的葉輪的設(shè)計(jì)方法有兩種即相似設(shè)計(jì)法和速度系數(shù)設(shè)計(jì)法。用相似設(shè)計(jì)法雖然很方便，但是，它只能保持原有水力模型的水平。因此，在采用相似設(shè)計(jì)法時(shí)，必須結(jié)合模型實(shí)驗(yàn)，不斷分析和改進(jìn)原有模型不足之處，才能逐步提高產(chǎn)品水平。所以，綜合考慮采用速度系數(shù)設(shè)計(jì)法是比較合理的。2.1 速度系數(shù)設(shè)計(jì)法2.1.1 速度系數(shù)設(shè)計(jì)法的導(dǎo)出由公式 可知，相似泵在相似工況下，相應(yīng)速度比相等。能1212pppmmmu????不能由此找出一種設(shè)計(jì)離心泵的方法呢？?jī)膳_(tái)相似的泵在相似的工況下，由公式 可知：2()ppmHDn?2()pp如果取 D 為各自的葉輪外徑 ，則上式可寫為：2D22mmppHnu?上式可改寫為： 2222mmppPpmuHgg?式中 和 ——模型泵的揚(yáng)程和葉輪出口圓周速度， 和 是已知的。mH2u mH2u令 22muKgH?則離心式水泵葉輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)62pupKgH?式中 ——速度系數(shù)。2uK相似泵（即比轉(zhuǎn)數(shù)相等的泵）的速度系數(shù)是相等的。不同的 就有不同的 ，這樣sn2uK我們就可以得到 隨 而變的函數(shù)關(guān)系。附錄 C 中圖 2-1 就是以現(xiàn)有性能較好的產(chǎn)品2usn為基礎(chǔ)統(tǒng)計(jì)出來的離心泵葉輪各種流速的速度系數(shù)圖。設(shè)計(jì)時(shí)按 選取速度系數(shù)，作為s計(jì)算葉輪尺寸的依據(jù)，這樣的設(shè)計(jì)方法就叫速度系數(shù)設(shè)計(jì)法。用速度系數(shù)法進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，雖然設(shè)計(jì)計(jì)算比較方便，但是產(chǎn)品只能保持原有的水平。因此，在采用速度系數(shù)設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)，應(yīng)結(jié)合模型試驗(yàn)，不斷創(chuàng)造新的優(yōu)秀的模型，并將這些模型的速度系數(shù)充實(shí)圖 2-1，才能不斷提高產(chǎn)品水平。2.1.2 速度系數(shù)設(shè)計(jì)法的計(jì)算步驟1）確定葉輪入口直徑 0D確定 前，先用下式確定葉輪入口速度 （米/秒） 。0 0?（2-2）02KgH?式中 ——葉輪入口速度系數(shù)，可以從圖 2-1 中選取，0K?H——單級(jí)揚(yáng)程（米） 。對(duì)于懸臂式離心泵的葉輪，入口直徑 （米）可以由水力學(xué)公式求得：0D'24Q???即：（2-3）'00D?上式中的 為通過葉輪的流量， 大于設(shè)計(jì)流量 ，因?yàn)橥ㄟ^葉輪的流量 中有一部分'Q'Q'Q經(jīng)密封間隙返回葉輪入口處。 可按下式計(jì)算：' '???式中 ——泵的容積效率，可按附錄 C 圖中 2-3 選取。??7在輪轂或軸穿過葉輪時(shí)，葉輪入口直徑 （米）為：0D（2-4）'2004hQd????式中 ——輪轂直徑，可按公式 （K 是經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，一般取 K=1.2 1.4，大泵取hd2hd :小值，小泵取大值。 ）計(jì)算。對(duì)分段式多級(jí)泵第一級(jí)葉輪，一般略為加大葉輪入口直徑，以減低液體進(jìn)入葉輪的流速，提高泵的抗汽蝕性能。而其他各級(jí)葉輪由于已有一定的吸入壓力，故應(yīng)盡量減小葉輪入口直徑，以提高泵的效率。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)按圖 2-1 中相應(yīng)的曲線選擇系數(shù) 。0K?2）確定葉片入口邊直徑 1D在葉輪流道入口邊上取圓心，作流道的內(nèi)切圓，內(nèi)切圓的圓心到軸心線距離的兩倍即為葉片入口邊直徑 ，如附錄 C 中圖 2-2 所示。葉片入口邊直徑 一般可按比轉(zhuǎn)數(shù)1 1D確定：sn=40 100 則 （一般入口邊平行于軸心線；對(duì)流量較小的泵，可取 ；s:10D? 10D?對(duì)流量較大的泵，也可將入口邊伸向吸入口，但是應(yīng)注意鑄造造型的工藝性） 。則102sn?10(.8)?:則3s:6則5s 10(.75)D則 （軸流泵）0sn?02?3）確定葉片入口處絕對(duì)速度 1?一般取 或略大于 ，對(duì)抗汽蝕性能要求較高的泵，可取 。10?0 10(.483)???:4）確定葉片入口寬度 1b可按下式確定：1b（2-5）11'QbD???離心式水泵葉輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)8離心泵葉輪入口尺寸 ， 和 除影響泵的性能和效率外，對(duì)泵的抗汽蝕性能影響0D1b很大。5）確定葉片入口處圓周速度 1u可按下式確定：1u（2-6）160Dn??6）確定葉片數(shù) Z現(xiàn)在尚無確定葉片數(shù)的準(zhǔn)確方法，對(duì) 的泵，一般取 6 片；對(duì)低比轉(zhuǎn)數(shù)的25s:泵可以取 9 片，但應(yīng)注意勿使入口流道堵塞；對(duì)高比轉(zhuǎn)數(shù)的泵可以取 片。此外，還45:可以用下列經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行估計(jì)：（2-7）2(1.5)ZD?:式中 ——葉輪外徑，單位為厘米。2D在一般情況下，增加葉片數(shù)可以改善液體流動(dòng)的情況，適當(dāng)提高泵的揚(yáng)程，但葉片數(shù)增加后將增加葉片摩擦損失，減少流道過流面積，所以過多的增加葉片數(shù)，不但要降低效率，并使葉輪的汽蝕性能惡化，還能導(dǎo)致泵性能曲線出現(xiàn)駝峰。在葉片包角不變的情況下，葉片數(shù)減少時(shí)，每個(gè)葉片的負(fù)荷增加，對(duì)液體導(dǎo)流作用降低，泵揚(yáng)程也要下降。有些比轉(zhuǎn)數(shù)較低的泵，采取長(zhǎng)短葉片間隔安放的形式，如圖 2-4 所示。這樣既保證了足夠的葉片數(shù)，又防止了葉輪流道入口的堵塞。9圖 2-4 堵塞流道長(zhǎng)短葉片的葉輪Fig.2-4 Stop leaf's round of flow a length leaf's slice7）確定葉片入口軸面速度 1m?可按下式確定：1m?（2-8）1m??式中 ——葉片入口排擠系數(shù)1?在設(shè)計(jì)離心泵時(shí)先選取排擠系數(shù) 進(jìn)行試算，待葉片厚度和葉片入口安放角確定后，1?再來校核 值。1?在估算時(shí)，一般取 ，低比轉(zhuǎn)數(shù)的小泵去大值。1.3??:8）確定葉片入口安放角 ?葉片入口安放角就是在葉片的入口處，葉片工作面的切線（嚴(yán)格地說，應(yīng)該是在流面上葉片骨線的切線）與圓周切線間的夾角，如圖 2-5 所示。假定液體是無旋流入葉輪內(nèi)，則由速度三角形可知：（2-9）'1mtgu???式中 ——液體進(jìn)入葉輪相對(duì)速度的液流角，如圖 2-6 所示。'1?1? ??1'1?Sl 葉 片 骨 線液 流 方 向離心式水泵葉輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)10圖 2-5 葉片入口安放角 圖 2-6 葉片的沖角Fig.2-5 Leaf slice the entrance put cape Fig.2-6 The blunt cape of leaf's slice葉輪入口處的葉片安放角比相對(duì)速度液流角增大了一個(gè)角度，這個(gè)角度叫做沖角，以 表示，葉片入口安放角 為：??1?（2-10）'1????一般沖角取 ，葉片入口安放角 。35??:04?:在確定葉片入口安放角 時(shí)，選取一個(gè)沖角 的原因是：1?（1）液體在進(jìn)入葉輪前，已受吸入室、軸或葉輪的影響而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)（即預(yù)旋） ，增加沖角就是考慮了預(yù)旋的影響，以減少液體的沖擊損失。（2）取正沖角后，葉片入口處排擠系數(shù) 減小了，即增大了葉片入口面積，改善了1?液體流動(dòng)情況，可以略為提高泵的汽蝕性能。對(duì)錐形管吸入室的泵來說，液體進(jìn)入葉輪前，預(yù)旋較小，但對(duì)半螺旋形吸入室來說，預(yù)旋就比較大，所以選取沖角時(shí)還要考慮吸入室結(jié)構(gòu)形式的影響。沖角對(duì)泵的抗汽蝕性能有一定影響。試驗(yàn)表明，在正沖角范圍內(nèi)，沖角變化對(duì)泵抗汽蝕性能影響不大，加大沖角可以延緩泵在大流量工況工作時(shí)抗汽蝕性能的急劇惡化。但如果正沖角 超過 ，將引起效率的下降。如果取負(fù)沖角，則泵的抗汽蝕性能要明??20?顯地惡化。9）確定葉片厚度確定葉片厚度時(shí)應(yīng)注意：對(duì)較小的泵，要考慮到鑄造的可能性。對(duì)鑄鐵葉輪，葉片最小厚度為 毫米；對(duì)鑄鋼葉輪，葉片最小厚度為 毫米。對(duì)大泵應(yīng)適當(dāng)增加葉片34: 56:厚度，以使葉片有足夠的剛度。10）計(jì)算葉片排擠系數(shù) 1?葉片排擠系數(shù) 是葉片厚度對(duì)流道入口過流斷面面積影響的系數(shù)。它等于流道入口1不考慮葉片厚度的過流面積與考慮葉片厚度過流面積（即實(shí)際過流面積）之比值：（2-11）11()tbt????11式中 ——葉片節(jié)距， （圖 2-5） ；1t 1DtZ??——葉片在圓周方向的厚度（圖 2-5） 。?葉片在圓周方向的厚度 可按下式計(jì)算：1?（2-12）1sinS???式中 ——入口處的葉片實(shí)際厚度（嚴(yán)格地說是流面上的厚度） ，代入公式（2-11）得：1S（2-13）1111()sinsinDbZSS?????????公式（2-13）的計(jì)算值應(yīng)與原來選取的 相等或相接近，如果相差太大，則需重新?選取 ，計(jì)算和，再按式（2-13）計(jì)算 ，直至計(jì)算的 與選取的 相等或相近為止。1? 11?1?11）葉片包角 的確定?就是葉片入口邊與圓心的連線和出口邊與圓心連線間的夾角，如附錄 C 圖 2-7 所示。包角越大、葉片間流道越長(zhǎng)，則葉片單位長(zhǎng)度負(fù)荷越小、流道擴(kuò)散程度越小，有利于葉片與流道的能量交換。如葉片的包角太小，則葉片與液體的摩擦損失增加，鑄造工藝性差，所以，包角大小應(yīng)選取適當(dāng)。目前，對(duì) 的泵，一般取 ，低比轉(zhuǎn)數(shù)葉輪取大值，高比轉(zhuǎn)數(shù)6012sn?:7510????:葉輪取小值。包角確定后，在繪型時(shí)還要根據(jù)具體情況作適當(dāng)?shù)男薷摹?2）確定葉輪外徑 2D可以通過葉輪出口圓周速度 求得， 可按下式計(jì)算：2D2u2（2-14）2KgH?式中 ——葉輪出口圓周速度系數(shù)，可從圖 2-1 中選取。2uK葉輪出口圓周速度 確定后，可按下式計(jì)算葉輪外徑 ：2u2D（2-15）260uDn??離心式水泵葉輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)12的大小對(duì)泵的性能有明顯的影響，如圖 2-8 所示。2DD ' ' 2D ' 2D ' ' ' 2D ' 2 D ' ' 2 D ' ' ' 2HQ圖 2-8 對(duì)泵性能曲線的影響2DFig.2-8 to pump function curve of influenceHQβ 2 9 0 ?β 2 = 9 0 ?β 2 9 0 ?圖 2-9 對(duì)泵性能曲線的影響2?13Fig.2-9 to pump function curve of influence2?13）葉片出口安放角 2葉片出口安放角 一般在 范圍內(nèi)，通常選用 。對(duì)高比轉(zhuǎn)數(shù)的泵，?1640?:203?:可以取得小些，低比轉(zhuǎn)數(shù)的泵 可取得大些。葉片出口安放角 對(duì)性能曲線形狀（圖2?2 2?2-9 所示） 、葉輪流道形狀和泵的揚(yáng)程影響較大，故在決定 時(shí)應(yīng)該仔細(xì)。214）確定葉輪出口寬度 2b可以通過葉輪出口軸面速度 確定，如圖 2-10， 可按下述公式計(jì)算：2b2m?2m?（2-16）2KgH?式中 ——葉輪出口軸面速度系數(shù)，可按圖 2-1 選擇。 的大小，直接影響泵的2mK? 2mK?流量。葉輪出口軸面速度 確定后，可按下式確定葉輪出口寬度 ：2m 2b（2-17）'222()mQbDZ?????式中 ——葉片出口處圓周方向厚度（米） 。2?可按下式計(jì)算：（2-18）2sinS???式中 ——葉輪出口處葉片真實(shí)厚度（嚴(yán)格地說是流面上厚度） ，如圖 2-11 所示。2S對(duì)低比轉(zhuǎn)數(shù)的泵來說， 過小往往在結(jié)構(gòu)上和鑄造上難以保證。因此，可用堵塞葉2b輪部分流道的方法來增加 ，如圖 2-4 所示。一般認(rèn)為葉輪各流道中流過的流量相等，故如果堵塞 1/3 流道， 可增寬 50%左右。堵塞的流道應(yīng)當(dāng)對(duì)稱，以免由不平衡而引起泵2振動(dòng)。離心式水泵葉輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)14υ u 2υ u 2 ∞u 2υ m 2υ 2 ∞ω 2 ∞ω 2α 2α ' 2β ' 2β 2圖 2-10 葉輪出口速度三角形Fig.2-10 Leaf the round export speed triangle 2?2?圖 2-11 葉輪出口排擠Fig.2-11 Leaf the round export discriminate against15）確定葉輪出口絕對(duì)速度與圓周速度的夾角 2?由圖 2-10 可知，在葉輪葉片無窮多時(shí)，液體流出葉輪的方向?yàn)椋?52mutg????由圖 2-10 知 22mutg?????代入上式，得： 22mtutg?????（2-19）122mtt?在有限葉片時(shí)，液體實(shí)際流出角為 ，由圖 2-10 可知'2?'2mutg??（2-20）'122ut??由公式 知，由公式 可得：1THp???2uTHg??21up??液流流出葉輪的絕對(duì)速度為： 2um??至此，葉輪繪型時(shí)需要的尺寸、角度等參數(shù)，已經(jīng)計(jì)算完畢，這些參數(shù)都能影響水泵的性能。但是，在葉輪的這些參數(shù)中，哪些是影響離心泵性能的主要因素呢？實(shí)踐證明， 、 、 對(duì)離心泵汽蝕性能影響較大， 對(duì)離心泵流量影響較大， 、 對(duì)水泵0D1b2b2D?揚(yáng)程的影響較大， 對(duì)泵性能曲線形狀影響較大。但是，對(duì)葉輪其他一些因素（如葉片2?數(shù) Z、包角 、葉片厚度 S、沖角 、葉片入口直徑 等）也需要認(rèn)真對(duì)待。這些參數(shù)???1D如果選得協(xié)調(diào)，就能得到滿意的結(jié)果。在這方面靈活性是較大的，或者說，目前這些參離心式水泵葉輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)16數(shù)之間尚未找到嚴(yán)格的關(guān)系，選取是否適當(dāng)，在一定程度上取決于設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)。2.2 葉輪結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì)計(jì)算已知設(shè)計(jì)參數(shù)為 Q=90 、H=80m、 =6.28m， ，以電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，3/mhmaxsH708%??:輸送常溫清水，由這些參數(shù)設(shè)計(jì)一臺(tái)單吸單級(jí)離心泵葉輪結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)計(jì)算步驟如下：2.2.1 結(jié)構(gòu)形式的確定1）確定吸入口徑和吐出口徑：由表 2-1 知，可取吸入口徑為 100mm，吐出口徑也取為 100mm。表 2-1 泵的吸入口徑、流速和流量的關(guān)系Tablet.2-1 Inhalation caliber, current velocity and relate to of discharge of pump吸入口徑（mm） 40 50 65 80 100 150 200 250 300 400單 流速 （m/s） 1.375 1.77 2.1 2.76 3.53 2.83 2.65 2.83 — —級(jí) 流量 （ ）3/mh6.25 12.5 25 50 100 180 300 500 — —多 流速 （m/s） 1.375 1.77 2.1 2.54 3 2.44 2.48 2.54 2.84 3.42級(jí) 流量 （ ）3/h6.25 12.5 25 46 85 155 280 450 720 15002）求 ：取 =1 ， =1000 ，由附錄 C 中圖 2-12 取min?ap2/kgcm?3/kgm0.24p??，得：/kgc由公式 42minmax10()asshHg?????24 90[].13610(.2)4.88????=4.0m3）確定轉(zhuǎn)速 n：代入公式 得：3/4min5.6Qch??17=0.3143/45.6290nc?n如果選用兩極電機(jī)，則 =2950r/min，c=926.3；n如果選用四極電機(jī)，則 =1480r/min，c=464.72。由表 2-2 可知，如果選用四極電機(jī)，要達(dá)到預(yù)定的 是很困難的，故泵取maxsH=2950r/min。n表 2-2 單吸單級(jí)泵的 和 c 值minh?Tablet.2-2 Lists absorb single pump of be worth with ci吸入口徑（mm）40 50 65 60 100 150 200設(shè)計(jì)流量（）3/mh6.25 12.5 25 50 100 180 300轉(zhuǎn) 速（r/min）2950 2950 2950 2950 2950 1480 2950 1480 2950汽蝕余量（minh?）2.5 2.8 3.0 3.5 4.0 4.0 4.5 4.3 5.5汽蝕比轉(zhuǎn)數(shù)c348 450 610 775 980 660 1190 810 13304）結(jié)構(gòu)方案的選擇： 3/4.65snQH?3/4.295068?=63.6由附錄 C 圖 2-13 知，這樣的比轉(zhuǎn)數(shù)是有可能達(dá)到預(yù)定效率的。因此，此單吸單級(jí)泵就設(shè)計(jì)為， =2950r/min， =63.6。nsn5）軸徑的初步計(jì)算：根據(jù)使用條件，參考附錄 D，取泵軸為 35 號(hào)鋼，泵軸的初步計(jì)算過程：解：參考圖 2-13，取泵的效率為 =72%?離心式水泵葉輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)18按公式 計(jì)算泵的軸功率102QHN???=27.23KW1098236.7??泵的計(jì)算功率可按公式 .32.6cNKW?取 =40cNKW參考表 2-3，取 35 號(hào)鋼許用切應(yīng)力[ ]為 450 ，按公式 和?2/kgcm97360cNMn?計(jì)算，泵軸所轉(zhuǎn)遞的扭矩 為：30.2[]Md??M97360cNn?40295?=300kgm:泵的最小軸徑為：=30.2[]Md??30.45?=2.3 cm取標(biāo)準(zhǔn)尺寸，d=25mm。表 2-3 泵軸常用材料的許用切應(yīng)力Tablet.2-3 The pump stalk in common use materials slices in response to the dint材 料 熱 處 理 要 求 許用切應(yīng)力[ ]?（ ）2/kgcm用 途35 正火處理 405:一般單級(jí)泵45 調(diào)質(zhì)處理 24186HB?:6一般多級(jí)泵40Cr 調(diào)質(zhì)處理 378大功率高壓泵3Cr13 調(diào)質(zhì)處理 9耐腐蝕泵35CrMo 調(diào)質(zhì)處理 5在高溫下工作（t=200～400 ）C?取固定轉(zhuǎn)子部件的螺紋直徑 。 30 3 的細(xì)牙螺紋的底徑為 ，聯(lián)軸器30Mdm??28?的定位凸臺(tái)有 1.8mm 左右是完全可以的。19取安裝軸承和葉輪處的直徑 為 。1d35m?葉輪輪轂直徑可按公式 計(jì)算，取系數(shù) =1.4，則2hK?K。21.44359hdd??有計(jì)算知：裝聯(lián)軸器處的最小軸徑為 ；2m裝葉輪處的軸徑為 ；35葉輪輪轂直徑為 。492.2.2 葉輪的設(shè)計(jì)計(jì)算在設(shè)計(jì)離心泵的葉輪時(shí)，因?yàn)橐紤]到泵的汽蝕性能，需要特殊設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)計(jì)算步驟如下：1）確定葉輪入口直徑 ：由于泵要求效率比較高，而單級(jí)泵入口已有一定的壓力，0D故可將泵入口速度系數(shù)盡可能取得高一些，由圖 2-1 知，可取 ，代入公式（2-0.15K??2） ，得葉輪入口速度 為：0?=0.15× =5.94 02KgH??29.8?/ms由圖 2-3，取泵的容積效率 ，則通過葉輪的流量 為：9%?'Q=0.0278 '360.Q??3/s代入公式（2-4） ，得：'2004hDd???24.78=0.495???=0.0914m取 。092Dm?2）確定葉片入口邊直徑：取 ，得：10D?1?3）確定葉片入口邊絕對(duì)速度 ：取 ，得：1?0.8離心式水泵葉輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2010.8.594.7/ms????4）確定葉片入口寬度 ：代入公式（2-5） ，得：b=0.0186 =18.611'QD??.2340.75?5）確定葉片入口圓周速度 ：代入公式（2-6） ，得：u160n?.291.4/60ms?作草圖后，初步確定葉片入口邊與前蓋板交點(diǎn)處直徑為 100 ，與后蓋板交點(diǎn)處直徑為 85 ，相應(yīng)于入口邊與前、后蓋板交點(diǎn)處圓周速度 和 為：m'1u'''13.40295.4/66Dnums????''1.813./6）確定葉片數(shù) Z：暫取 6 片葉片，待葉輪外徑確定后，再按公式（2-7）進(jìn)行核算。7）確定葉片入口軸面速度 ：取葉片入口排擠系數(shù) ，代入公式（2-8） ，得：1m?1.??1.34756./mms???8）確定葉片入口安放角 ：首先確定液流角 ，代入公式（2-9） ，得：?'1?'1.0.45mtgu??' '128??葉片入口邊與前、后蓋板相交處的液流角分別為 和 。'94?'5?取沖角 ，代入公式（2-10） ，可得葉片安放角 ：5???? 1?' ' '1286???????葉片入口邊與葉輪前、后蓋板相交處的葉片安放角分別為 和 。'248?'30?9）確定葉片厚度：此處暫取葉片厚度 ，在強(qiáng)度計(jì)算部分再核算葉片厚度。15Sm2110）確定葉片排擠系數(shù) ：代入公式（2-13） ，得：1?11 '3.14056sin28sinDSZ????????=1.27此處計(jì)算的葉片排擠系數(shù)與假設(shè)的 值一致。1?11）確定葉片包角 ：暫取 ，在繪型時(shí)在根據(jù)具體情況作適當(dāng)?shù)男薷摹?50??12）確定葉輪外徑 ：由圖 2-1 知，可取 ，代入公式（2-14） ，得：2D20.965uK?.9683.21/uKgHms?代入公式（2-15） ，得葉輪外徑 ：203.210.549Dn????=250 m葉輪直徑確定后應(yīng)校核葉片數(shù)，取系數(shù)為 1.2，代入公式（2-7） ，得：2156Z??此處計(jì)算的葉片數(shù)與上述選擇的相符。13）確定葉片安放角 ：取 ，在作方格網(wǎng)時(shí)，再根據(jù)具體情況進(jìn)行修改。2?230?14）確定葉片的出口寬度 ：由圖 2-1，取 ，代入公式（2-16） ，得：b20.14mK??2.98mgH???/s代入公式（2-17） ，可得葉片的出口寬度 ：2b' '2 222()()sinmmQQbZSDZ??????????0.7865(3.14)4.1si3??=0.0093 離心式水泵葉輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)22取 。210bm?15）確定在有限葉片時(shí)液體出口速度與圓周速度的夾角 ：'2?由 21up???由圖 2-10 知， 22mutg?????4.138.0t?.7/s?由公式 知， 21rpZ???:其中 2(0.5.68)0.sin??3??:.850.9?:取 .9?則 2 210.9.1560rpZ?????:.357?由此， 21.02.9/357umsp???代入公式（2-20） ，得： '122mutg????114.0.89ttg???' '2?液體流出葉輪的絕對(duì)速度 為：22322.941um????3.27/ms?3 葉輪強(qiáng)度計(jì)算葉輪強(qiáng)度計(jì)算可以分為計(jì)算葉輪蓋板強(qiáng)度、葉片強(qiáng)度和輪轂強(qiáng)度三部分，現(xiàn)分別計(jì)算如下：3.1 葉輪蓋板強(qiáng)度計(jì)算離心泵不斷向高速化方向發(fā)展，泵轉(zhuǎn)速提高后，葉輪因離心力而產(chǎn)生的應(yīng)力也隨之提高，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過一定數(shù)值后，就會(huì)導(dǎo)致葉輪破壞。在計(jì)算時(shí)，可以把葉輪蓋板簡(jiǎn)化一個(gè)旋轉(zhuǎn)圓盤（即將葉片對(duì)葉輪蓋板的影響略去不計(jì)） 。計(jì)算分析表明，對(duì)旋轉(zhuǎn)圓盤來說，圓周方向的應(yīng)力是主要的，葉輪的圓周速度與圓周方向應(yīng)力 （ ）近似地有以下?2/kgcm關(guān)系：（3-1）4210mug???:式中 ——葉輪材料的重度（ ） 。對(duì)鑄鐵葉輪來說， =0.0073（ ） ；對(duì)m? 2/kcm?2/kgc鑄鋼葉輪 =0.0078（ ） ；對(duì)銅葉輪 =0.0088（ ） ；m?g——葉輪圓周速度（ ） ；2u/s——重力加速度（ ） ，一般取 。g2/c980g?2/cms計(jì)算過程如下：解：計(jì)算圓周方向應(yīng)力，代入公式（3-1） ，得： 442210.736.198mug????:2./kgc由表 3-1 知， ，故在 時(shí)，葉輪蓋板是安全的，此時(shí)葉輪蓋[]??2950/innr?離心式水泵葉輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)24板厚度由結(jié)構(gòu)和工藝要求確定。由表 3-2 知，可選葉輪蓋板厚度為 5 。m表 3-1 葉輪材料的許用應(yīng)力Tablet.3-1 Leaf round of the material use in response to the dint材 料 名 稱 熱 處 理 狀 態(tài) 許用應(yīng)力[ ]（ ）?2/kgcmHT20-40 退火處理 2503:ZG 25 退火處理 67ZG1Cr13 退火處理 91ZG2Cr13 調(diào)質(zhì)處理 HB 229-269ZGCr18Ni12Mo2Ti 固溶化處理 4ZG1Cr18Ni9 固溶化處理 05:ZGCr28 退火處理 78表 3-2 葉輪蓋板厚度Tablet.3-2 Leaf the round cover plank thickness葉輪直徑（ ）m108:1250:1520:520?蓋板厚度（ ）4 5 6 73.2 葉片厚度計(jì)算為了擴(kuò)大葉輪流道有效過流面積，希望葉片越薄越好；但葉片選得太薄，在鑄造工藝上有一定的困難，而且從強(qiáng)度方面考慮，葉片也需要有一定的厚度。目前，鑄鐵葉輪的最小葉片厚度為 3～4 毫米，鑄鋼葉片最小厚度為 5～6 毫米。葉片也不能選擇得太厚，葉片太厚要降低效率，惡化泵的汽蝕性能。大泵的葉片厚度要適當(dāng)加厚一些，這樣對(duì)延長(zhǎng)葉輪壽命有好處。表 3-3 葉片厚度的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)Tablet.3-3 Leaf slice the experience coefficient of the thickness比 轉(zhuǎn) 數(shù)40 60 70 80 90 130 190 280材料系 數(shù) K鑄鐵 3.2 3.5 3.8 4.0 4.5 6 7 1025鑄鋼 3 3.2 3.3 3.4 3.5 5 6 8葉片厚度 S（mm）可按下列經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：（3-2）21iHSKDZ??式中 ——經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，與材料和比轉(zhuǎn)數(shù)有關(guān)，對(duì)鑄鐵和鑄鋼葉論，系數(shù) 推薦按表 3-3K K選??；——葉輪外徑（ ） ；2Dm——單級(jí)揚(yáng)程（ ） ；iH——葉片數(shù)。Z計(jì)算過程如下：解：由表 3-3，取經(jīng)驗(yàn)系數(shù) ，代入公式（3-2 ） ，得5K?2 8013.5216iHSDZ???4.m?取葉片厚度 。5Sm?3.3 輪轂強(qiáng)度計(jì)算對(duì)一般離心泵，葉輪和軸是動(dòng)配合。大型鍋爐給水泵和熱油泵等產(chǎn)品，葉輪和軸是靜配合。為了使輪轂和軸的配合不松動(dòng)，在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)由離心力產(chǎn)生的變形應(yīng)小于軸和葉輪配合的最小公盈。在葉輪輪轂處由離心力所引起的應(yīng)力可近似地按公式就（3-1）計(jì)算，由此應(yīng)力所引起的變形為：（3-3）cDE???離心式水泵葉輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)26式中 ——彈性模數(shù)（ ） ；對(duì)鑄鐵 ；對(duì)鑄鋼 ；對(duì)銅E2/kgcm61.30E??61.750E??；61.0??——葉輪輪轂平均直徑（ ） ；cDc——由離心力引起的葉輪輪轂直徑的變形（ ） 。? cm應(yīng)小于葉輪和軸配合的最小公盈 ，即in?minD?計(jì)算過程如下：解：代入公式（3-3） ，可得離心力所引起的葉輪輪轂直徑變形量 ：D?6108.7493cDE????.m由公差配合表可知，軸徑為 35 ，精度配合的最小公盈 。min0.5??minD??由離心力所引起的變形小于最小的配合公盈。274 葉輪的繪型葉輪的影響離心泵性能的最主要部件，葉輪的主要幾何尺寸計(jì)算完畢后，就可以進(jìn)行繪型工作。由于葉片形狀比較復(fù)雜，制造得不準(zhǔn)就要影響離心泵的性能。因此，準(zhǔn)確地繪型是保證葉片形狀正確的必要前提。目前常用的繪型方法有：圓柱形葉片葉輪繪型法和保角變換繪型法。對(duì)于低比轉(zhuǎn)數(shù) 的單級(jí)單吸離心泵一般為圓柱形葉片葉輪。60sn?圖 4-1 軸面投影圖Fig.4-1 Stalk noodleses cast shadow diagra4.1 圓柱形葉片葉輪繪制法圓柱形葉片葉輪的繪制主要步驟如下：4.1.1 作軸面投影圖軸面就是包含軸心線的截面，如圖 4-1 b 中的 面就為軸面。軸面投影就是將葉OA?離心式水泵葉輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)28輪上的點(diǎn)按圓弧投影在某一軸面上的圖形。例如圖 4-1 b 中的 a 點(diǎn)本來不在軸面 上，OA?但是以 點(diǎn)為圓心，以 為半徑旋轉(zhuǎn)，即可將 a 點(diǎn)投影到 面上，得 點(diǎn)；同理 c 點(diǎn)O1r OA?'本來也不在軸面 上，但是以 點(diǎn)為圓心， 為半徑旋轉(zhuǎn)，即可將 c 點(diǎn)投影到A?O2r面上，得 點(diǎn)。將軸面投影，如圖 4-1 a ,此圖即為軸面投影圖。在軸面投影圖上，A?'c可以比較全面地看到葉輪葉輪前后蓋板形狀，葉片入口邊、出口邊各點(diǎn)相對(duì)于葉輪軸心線的徑向位置和軸向位置，但是，入口邊、出口邊上各點(diǎn)并不一定在同一軸面上。作軸面投影圖時(shí)，盡量參考比轉(zhuǎn)數(shù)相等、性能良好的葉輪的軸面投影圖。作軸面投影圖的步驟如下：1）取 ，作軸心線 的平行線 （圖 4-2） 。2hdO?DE2）作軸心線 的垂線 ，使 。AB2?圖 4-2 軸面投影圖的繪型Fig.4-2 The stalk noodles casts shadow draw of diagram a type3）過點(diǎn) 作 線，使 。 的大小與比轉(zhuǎn)數(shù)和結(jié)構(gòu)形式有關(guān)，BC35AB????:ABC比轉(zhuǎn)數(shù)小可以取 （分段式多級(jí)泵一般取 ） ，高比轉(zhuǎn)數(shù)的泵（或雙吸泵）可以取 ，0? 0? 35?:一些渦殼式泵， 可以取到 （圖 4-2 中 線在 線的左側(cè)） 。?294）以適當(dāng)半徑作圓弧，使之與直線 和 相切，即得葉輪后蓋板的初步輪廓線。DEBC5）過 點(diǎn)作軸心線 的平行線，并截取 。BO?2Fb?6）作軸心線 的平行線 和 。 距軸心線距離為 ， 距軸心線為GHJK0DJK。12D7）以 線上相應(yīng)的點(diǎn)為圓心，以 為半徑作圓，使之與與葉輪后蓋板輪廓線相切。JK12b8）以適當(dāng)?shù)膱A弧和直線作成葉輪前蓋板的輪廓線，此輪廓線必須與 線和葉輪入GH口圓相切，并通過 點(diǎn)。F9）作葉片入口邊：對(duì)低比轉(zhuǎn)數(shù)的泵，入口邊可以平行于軸線，按計(jì)算的 值作軸線1D的平行線即可。但也有一些比轉(zhuǎn)數(shù)小于 100 的泵，葉片入口邊伸向吸入口。高比轉(zhuǎn)數(shù)的泵，可過 點(diǎn)（ 點(diǎn)在前蓋板輪廓線上，徑向尺寸可等于或略大于葉輪入口直徑 ，M 0如圖 4-2）作 線，使 線的延長(zhǎng)線與軸線 的夾角 （混流泵可取NO?3045???:） 。過 、 點(diǎn)和葉輪入口圓中心點(diǎn)作一光滑曲線，此線即為葉輪入口邊。4065???:此處所作的葉片入口邊僅是初步的，在作平面投影圖或方格網(wǎng)時(shí)，還要根據(jù)具體情況作適當(dāng)?shù)男薷摹?.1.2 作葉輪平面投影圖圓柱形葉片可以用一個(gè)或幾個(gè)圓弧畫成。用一個(gè)圓弧畫的葉片較短、流道擴(kuò)散情況也不如用幾個(gè)圓弧畫成的葉片好，現(xiàn)以用兩個(gè)圓弧畫葉片的方法為例，作圖步驟如下：1）作葉輪的 =250 和 =100 。如圖 4-3。2Dm12）作中間圓 （一般取 ） ，按下式計(jì)算對(duì)應(yīng)于 的i 21iD??iDi?（4-1）121())ii??3）作半徑線 ，由 點(diǎn)作直線 ，使 。OAAB2O???4）作半徑線 ，使 ，并與 圓交于點(diǎn) 。C2i????iDC離心式水泵葉輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)30O2i??i1i?圖 4-3 圓柱形葉片葉輪的繪型Fig.4-3 Cylinder form leaf slice leaf's round draw a type5）過 、 點(diǎn)作直線，并與 圓交于另一點(diǎn) 。ACiD6）連接半徑線 ，作直線 ，使 ，并與 線交于 點(diǎn)。OEiO???ABE7）以 點(diǎn)為圓心，以 為半徑作弧，此弧必通過 點(diǎn)。EAD8）作半徑線 ，使 ，并與 圓交于點(diǎn) 。F1i???1F9）過 、 點(diǎn)作直線，并與 圓交于另一點(diǎn) 。DDG10）作半徑線 。作直線 ，使 ，并與 線交于點(diǎn) 。OGH1O???EH11）以點(diǎn) 為圓心、以 為半徑作弧，此弧必通過 點(diǎn)。H12）以 和 點(diǎn)為圓心、分別以 和 為半徑作圓弧，并適當(dāng)削尖修圓葉EAES?片入口邊，即得葉片形狀。其中 為葉片真實(shí)厚度。13）以葉片數(shù) 等分葉輪外徑，并用上述方法依次作其他葉片，如圖 4-4 所示。Z4.1.3 葉輪平面投影圖流道的檢查對(duì)葉輪平面投影圖的流道也應(yīng)該進(jìn)行核算，如圖 4-4。在平面投影圖流道內(nèi)作內(nèi)切圓，連接內(nèi)切圓圓心，即得流道中線。對(duì)應(yīng)于軸面投影圖中的內(nèi)切圓 1、2、3、……（內(nèi)切圓圓心距葉輪中心線距離為 、 、 、……）作平面投影圖中的內(nèi)切圓（這些內(nèi)切圓圓心1r23距葉輪中心線的距離也為 、 、 、……） 。相應(yīng)的兩個(gè)內(nèi)切圓直徑的乘積，即為對(duì)應(yīng)